rede de sensores wireless com topologia mesh utilizando

Research, Society and Development, v. 9, n. 10, e4649108770, 2020

(CC BY 4.0) | ISSN 2525-3409 | DOI: http://dx.doi.org/10.33448/rsd-v9i10.8770

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Rede de sensores wireless com topologia Mesh utilizando protocolo ZigBee

Wireless sensor network with Mesh topology using ZigBee protocol

Red de sensores inalámbricos con topología Mesh usando protocolo ZigBee

Recebido: 24/09/2020 | Revisado: 02/10/2020 | Aceito: 02/10/2020 | Publicado: 04/10/2020

Gilberto de Melo Junior

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2317-7779

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, Brasil

E-mail: [email protected]

Renato Milhomem de Oliveira Filho




Sílvio Leão Vieira


Universidade Federal de Goiás, Brasil


Sanderson Oliveira de Macedo

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5255-596X



Geovanne Pereira Furriel


Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Goiano, Brasil


Brunna Carolinne Rocha Silva




Resumo

Redes de sensores wireless vem sendo extensivamente aplicadas na automação residencial e

industrial. O objetivo desse projeto é desenvolver uma rede de sensores sem fio com



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topologia Mesh utilizando protocolo ZigBee. Para o desenvolvimento da pesquisa utilizou um

estudo de caso, onde há a descrição da elaboração de dispositivos e desenvolvimento de rede

de sensores sem fio. A rede é dotada de dispositivos coordenador, roteadores e end device.

Como resultado a rede foi testada com intuito de validar a capacidade de reestruturação e

auto-organização da topologia Mesh a partir do protocolo utilizado.

Palavras-chave: Redes de sensores wireless; Protocolo ZigBee; Topologia Mesh.

Abstract

Wireless sensor networks have been applied extensively in home and industrial automation.

The objective of this project is to develop a wireless sensor network with Mesh topology

using the ZigBee protocol. For the development of the research used a case study, where there

is a description of the elaboration of devices and development of a wireless sensor network.

The network is equipped with coordinating devices, routers and an end device. As a result, the

network was tested in order to validate the ability to restructure and self-organize the Mesh

topology based on the protocol used.

Keywords: Wireless sensor network; ZigBee Protocol; Mesh topology.

Resumen

Las redes de sensores inalámbricos se han aplicado ampliamente en la automatización

industrial y doméstica. El objetivo de este proyecto es desarrollar una red de sensores

inalámbricos con topología Mesh utilizando el protocolo ZigBee. Para el desarrollo de la

investigación se utilizó un caso de estudio, donde se describe la elaboración de dispositivos y

desarrollo de una red de sensores inalámbricos. La red está equipada con dispositivos de

coordinación, enrutadores y un dispositivo final. Como resultado, se probó la red para validar

la capacidad de reestructurar y autoorganizar la topología de malla en función del protocolo

utilizado.

Palabras clave: Red de sensores inalámbricos; Protocolo ZigBee; Topología de malla.

1. Introdução

Sistemas de automação residencial e comercial tem como objetivo proporcionar ao

usuário conforto, segurança e economia de energia. Projeto de automatização de edificações

em construção podem ser executados utilizando cabeamento estruturado, uma solução simples

e econômica que, todavia, se torna onerosa em termos de mão de obra e custo quando



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implementada pós-obra. Em vista deste fato, a utilização de redes sem fio se torna uma

alternativa viável para projetos de automação (Borges e Dores, 2010).

As tecnologias de redes sem fio se apresentam como um diferencial no mundo da

automação e seu uso proporciona diversos benefícios (Lugli e Sobrinho, 2012), tais como:

• Faixa de frequência: a faixa utilizada pelo dispositivo wireless é conhecida como ISM

(Industrial, Scientific and Medical), que é liberada para uso sem necessidade de

licença;

• Facilidade de instalação: sem requer estrutura preexistente, as redes sem fio podem ser

facilmente instaladas;

• Mobilidade: dentro de uma área de alcance limitada, os dispositivos da rede podem ser

reposicionados a qualquer instante;

Com os avanços na comunicação sem fio, nos MEMS (Micro-eletromechanical

System) e nos sistemas embarcados, surgiu uma nova geração de redes de sensores,

denominada Wireless Sensor Network (WSN) (Zhao et al., 2004). Iniciou-se então o uso dessa

tecnologia em diversas áreas, tais como: Militar – comando, controle, comunicação e

vigilância dos sistemas militares; Ambiental – detecção de incêndios e alagamento,

agricultura de precisão; Saúde – tele monitoramento da fisiologia humana, rastreamento e

monitoramento de profissionais e pacientes em ambiente hospitalar; Instalações residenciais –

automação residencial e ambiente inteligentes.

Akyildiz et al. (2002) ressalta que fatores como tolerância ao erro, escalabilidade,

custo de produção e topologia de rede, podem influenciar o projeto de uma rede WSN. Eles

são importantes pois orientam decisões acerca do uso adequado do protocolo e das respectivas

configurações necessárias para funcionamento das redes de sensores wireless.

Em relação aos protocolos utilizados nas WSN, tem-se (Yick et al., 2008): Bluetooth,

IEEE 802.15.4, ZigBee, WirelessHART, ISA100.11, IETF 6LoWPAN, IEEE 802.15.3,

Wibree. Neste estudo foi utilizado o protocolo ZigBee, que é baseado no padrão IEEE

802.15.4.

O ZigBee é um protocolo de comunicação para redes sem fio de curto alcance e de

baixa taxa de dados (Farahani, 2011). As suas bases foram estabelecidas no protocolo Home

RFLite criado pela Philips. A tecnologia foi pela primeira vez apresentada ao público com o

nome de ZigBee em julho de 2005 (Saleiro e Ey, 2009). O nome deste protocolo remete ao



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movimento característico encontrado em abelhas durante a busca de néctar, que a partir deste

transmitem informações ao enxame de forma semlhante a uma rede de comunicação.

ZigBee é uma tecnologia de comunicação sem fio simples, de baixo custo e baixa

potência usada em aplicações embarcadas. Os dispositivos ZigBee podem formar redes em

malha conectando muitos dispositivos em conjunto. Os dispositivos ZigBee consomem pouca

energia e podem operar com baterias de baixa capacidade por longos períodos.

Em redes de sensores wireless baseadas no protocolo ZigBee existem dois tipos de

dispositivos que são chamados de FFD (Full Fuction Device), dotados de funcionalidades

plenas e tipicamente alimentado pela rede de energia e o RFD (Reduced Function Device),

dotado de funcionalidades específicas e limitadas, alimentado por bateria (Zucato, 2009). Os

FFD podem ter funcionalidades como dispositivo Coordenador ou dispositivo Roteador. Os

RFDs são conhecidos como End Device, ou dispositivos finais.

O coordenador ZigBee inicia a formação da rede, armazena informações e estabelece

conexões entre redes. Os roteadores ZigBee conectam grupos de dispositivos e fornecem

comunicação multi-hop. O dispositivo final ZigBee consiste em sensores, atuadores e

controladores que coletam dados e se comunicam apenas com o roteador ou o coordenador

(Craig, 2004).

Vários trabalhos de redes de sensores wireless vem sendo desenvolvidos utilizando o

protocolo ZigBee. Litjens (2009) desenvolveu uma rede de sensores wireless empregando

módulos XBee (tipo de módulo de comunicação baseado no protocolo ZigBee), para

monitoramento e automação de estufas agrícolas.

Braga (2010) utilizou redes de sensores baseado em protocolo ZigBee para

monitoramento de dados de temperatura, umidade, luminosidade em florestas. Souza (2009)

apresentou protótipo de sistema de automação residencial para iluminação por meio da

tecnologia ZigBee, cujo intuito é realizar o acionamento remoto de lâmpadas.

Da Silva et al. (2017) realizou estudo para avaliação de performance de uma rede de

sensores wireless ZigBee utilizando topologia Mesh. Andrighetto (2008) empregou módulos

ZigBee para constituir o Sistema de Processamento de Sinais Biomédicos (SPSB), que realiza

visualização e monitoramento remoto de biossinais para fins didáticos no âmbito da

engenharia biomédica.

Souza et al. (2013) desenvolveram metodologia de otimização de redes mesh ZigBee

baseada em programação linear binária, propondo algoritmo para determinação do

posicionamento ótimo de dispositivos concentradores GPRS aplicados em Redes AMI

(Advanced Metering Infrastructure).



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Com base nessa tecnologia de rede, esse trabalho teve como objetivo validar o uso de

topologia Mesh em redes de sensores wireless ZigBee, abordando o conceito de auto-

organização dos dispositivos roteadores, coordenadores e End Devices utilizados.

A Seção 2 apresenta os materiais e métodos utilizados no desenvolvimento do

trabalho. Seção 3 apresenta os resultados obtidos. Seção 4 apresenta as conclusões do

trabalho.

2. Metodologia

O presente estudo objetiva o desenvolvimento de uma rede de sensores sem fio,

abordando a tecnologia ZigBee e validado a uso de topologia Mesh. Para o desenvolvimento

da pesquisa utilizou um estudo de caso, onde há a descrição da elaboração de dispositivos e

desenvolvimento de rede de sensores sem fio. A caraterística especial deste estudo de caso é o

desenvolvimento da rede usando os conceitos da topologia em malha, como, auto-organização

e auto estruturação, visando a ampliação do conhecimento sobre a tecnologia ZigBee.

Os métodos utilizados para apresentação do resultado da metodologia empregada no

estudo de caso, são métodos qualitativos, onde os pesquisadores exploraram o funcionamento

da rede de sensores sem fio e validaram a topologia empregada (Pereira et al., 2018).

No padrão 802.15.4, no qual o protocolo ZigBee é baseado, são utilizados basicamente

dois tipos de topologia de redes: Star (Estrela) e Peer-to-Peer (Ponto-a-Ponto), que por sua

vez, subdivide em duas variações denominadas Cluster-tree (Grupo de árvores) e Mesh

(Malha)

Na topologia Mesh os dispositivos Coordenadores ou Roteadores são livres para

enviar informação para qualquer outro dispositivo da rede, ou seja, não existe uma

centralização profunda da rede. Neste caso, o coordenador apenas registra a entrada e saída de

dispositivos na rede, assumindo um papel passivo no que diz respeito ao fluxo de informação.

De acordo com Saleiro e Ey (2009) a topologia mesh é muito útil, porque possibilita a

fácil expansão física da rede, permitindo que seja estabelecida uma rede capaz de abranger

uma área relativamente grande. Neste tipo de topologia é possível verificar o Self-Healing

(Auto-organização) da rede, pois ainda que um dos dispositivos da rede pare de funcionar,

apenas em casos excepcionais a comunicação da rede será afetada. A Figura 1 ilustra um

diagrama de funcionamento da topologia Mesh.



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Figura 1. Diagrama de uma rede de sensores wireless com topologia Mesh.

Fonte: Autores (2020).

O estudo de caso foi realizado para analisar e validar a capacidade de auto-

organização e reestruturação da rede Mesh. Neste caso foi realizado o monitoramento de

quatro ambientes diferentes, sendo três deles sendo monitorados por dispositivos Sensores

Modelo 1 e o último pelo dispositivo Sensor Modelo 2 em conjunto com o dispositivo

Atuador. Além dos dispositivos finais, a rede também foi composta por dois dispositivos

Roteador e um dispositivo Coordenador. A Figura 2 apresenta o diagrama de funcionamento

da rede de sensores wireless desenvolvida.



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Figura 2. Diagrama do estudo de caso desenvolvido no projeto.


O dispositivo Coordenador foi composto por um Arduino Mega 2560, uma Ethernet

Shield W500 para Arduino, uma XBee Shield para Arduino, um XBee-PRO S2 e um Relógio

de Tempo Real (RTC - Real Time Clock) DS1307, sendo responsável por receber os dados

dos dispositivos finais, processá-los e armazená-los. Baseando-se nos dados recebidos, este

também foi responsável por enviar comandos para acionamento de um relé que estava

conectado ao dispositivo final Atuador. Figura 3 apresenta o dispositivo Coordenador.



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Figura 3. Dispositivo Coordenador, onde (1) são os conectores entre a XBee Shield e o

Arduino.


O dispositivo Roteador foi composto por um XBee-PRO S2, uma placa Arduino e uma

XBee Shield para Arduino. O módulo XBee, configurado como roteador AT, foi responsável

pelo roteamento de dados na rede, comunicando com o coordenador e com os end devices.

Figura 4 ilustra o dispositivo Roteador desenvolvido. A Figura 4 ilustra o dispositivo

Roteador.

Figura 4. Dispositivo Roteador desenvolvido.


Os end devices, nomeados como dispositivo Sensor Modelo 1, dispositivo Sensor

Modelo 2 e dispositivo Atuador, apresentam características construtivas diferentes. Eles



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foram utilizados para monitoramento de temperatura, luminosidade e presença, e também para

o acionamento de uma lâmpada.

O dispositivo Sensor Modelo 1, foi composto por um XBee-PRO S2, um XBee

Explorer Adapter, um sensor de luminosidade LDR e um sensor de temperatura LM35. O

dispositivo Sensor Modelo 2, é semelhante ao primeiro, diferenciando apenas por possuir,

além dos dois sensores citados, um sensor de presença do tipo infravermelho passivo (PIR). O

dispositivo Atuador, constituído por um Arduino Uno, uma XBee Shield para Arduino, um

XBee-PRO S2 e um módulo relé, foi o responsável pelo acionamento de uma lâmpada. Figura

5 ilustra os três dispositivos finais desenvolvidos.

Figura 5. Dispositivos finais, onde (1) dispositivo Sensor Modelo 1, (2) dispositivo Sensor

Modelo 2 e (3) dispositivo Atuador.


O sistema foi disposto de modo que somente os dispositivos Sensores Modelo 1

pudessem se comunicar diretamente com o coordenador. Os demais dispositivos

comunicavam com o coordenador através dos roteadores. O sistema, que utilizou dois

roteadores, foi testado com eventos de desconexão dos mesmos, visando avaliar a efetividade

do procedimento de manutenção de conexão de rede baseado na capacidade de auto-

organização e reestruturação dos dispositivos do sistema.

3. Resultados e Discussão

No estudo de caso uma rede Mesh foi estruturada para o monitoramento de quatro

ambientes diferentes, no qual três ambientes foram monitorados por dispositivos Sensores

Modelo 1 e um outro foi supervisionado pelo dispositivo Sensor Modelo 2 em conjunto com o

dispositivo Atuador para acionamento da lâmpada. Porém, a rede foi disposta de tal forma que



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o dispositivo Sensor Modelo 2 e o dispositivo Atuador não conseguissem se comunicar

diretamente com o coordenador, sendo necessário a inserção de roteadores na rede.

Com intuito de inserir barreiras que imedissem a comunicação direta entre alguns

dispositivos finais e o Coordenador, o estudo foi realizado em um edifício residencial e os

módulos foram dispostos da seguinte maneira: o dispositivo Coordenador e os dispositivos

Sensores Modelo 1 foram alocados em um apartamento no 2° andar; o dispositivo Sensor

Modelo 2 e o dispositivo Atuador foram instalados no Hall do 8° Andar; um roteador foi

colocado no 4° e outro no 6° andar.

Através de testes de comunicação realizados, foi verificado que dois módulos

conseguiam se comunicar quando estivessem distantes de, no máximo, quatro andares de

diferença. Logo, os dispositivos do 8° andar se comunicaram com o módulo coordenador

exclusivamente através dos roteadores. A Figura 6 descreve o local que o experimento foi

realizado.

Figura 6. Disposição dos dispositivos da rede no prédio residencial.


Para supervisionar o estado da conexão dos dispositivos e fluxo de dados enviados ao

dispositivo coordenador, o módulo XBee Coordenador foi conectado ao computador

permitindo o monitoramento das referidas informações através do software XCTU. Este



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software permite que uma busca seja feita para identificar todos os dispositivos conectados à

rede em Network (1) → Scan (2), conforme ilustrado na Figura 7.

Figura 7. Busca de módulos conectados à rede.


Além disso, o XCTU permitiu a visualização dos frames enviados ao Coordenador e

forneceu ao usuário a possibilidade de criação e envio de frames para qualquer dispositivo

conectado. A comunicação com os módulos foi realizada acessando o menu Consoles (1) →

Open (2), ilustrados na Figura 8.



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Figura 8. Gerenciamento de comunicação do módulo coordenador.


Com o objetivo de analisar a capacidade de reestruturação e auto-organização da rede

Mesh, foram realizados desligamentos alternados dos roteadores que permitiam a

comunicação entre o dispositivo Coordenador, localizado no 2° andar, e os dispositivos

situados no 8° andar (dispositivo Sensor Modelo 2 e dispositivo Atuador).

Verificou-se que: quando os dois dispositivos Roteadores estavam desligados, os

dispositivos finais não se comunicavam com o Coordenador; ao ligar um dispositivo Roteador

a comunicação foi reestabelecida após os dispositivos finais saírem do modo Sleep (modo de

economia do módulos XBee); ao energizar o novo Roteador e desligar o anterior, os

dispositivos mantiveram a comunicação; quando os dispositivos finais foram retirados do 8°

andar e levados para um local onde seu alcance permitia a comunicação direta com o

Coordenador, todos se comunicaram instantaneamente, independente do estado dos

roteadores.

Por meio desse estudo foi possível validar a capacidade de reestruturação e auto-

organização da rede Mesh usando ZigBee, característica denominada Self-Healing.



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4. Considerações Finais

Através do projeto implementado, o estudo mostrou as vantagens da característica de

auto-organização e recursos correlatos dos módulos Zigbee, quando aplicados na constituição

de redes de sensores wireless. O projeto facilitou a instalação dos dispositivos pelo usuário, já

que não houve necessidade de mudanças estruturais de infraestrutura no ambiente de

utilização. A adaptabilidade ao ambiente, a organização sistemática do monitoramento de

rede, as facilidades de utilização, instalação e interfaceamento bem como a interoperabilidade

dos dispositivos de rede constituintes, mostram o elevado grau de aplicabilidade das redes de

sensores sem fio ZigBee.

Em trabalhos futuros podem ser aplicados mais dispositivos finais e roteadores para

verificar a extensibilidade da rede. Além disso, há a possiblidade de implementação de outros

tipos de topologia, podendo ser realizada a comparação com a topologia Mesh.

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Porcentagem de contribuição de cada autor no manuscrito

Gilberto de Melo Junior – 35%

Renato Milhomem de Oliveira Filho – 20%

Sílvio Leão Vieira – 15%

Sanderson de Oliveira Macedo – 10%

Geovanne Pereira Furriel – 10%

Brunna Carolinne Rocha Silva – 10%

rede de sensores wireless com topologia mesh utilizando

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